The development of compact abatement systems capable of reducing both NOx and SOx is of strong interest, due to the difficulty of combining both selective catalytic reduction systems and scrubber technologies on a ship. So, the research developed in this thesis comes from the need for system integration along the exhaust line to save space and the need to have a proper numerical model to simulate the acoustic properties of exhaust gas cleaning systems for their optimization. The objective of this thesis is to develop a computationally-efficient numerical methodology employing a combination of both CFD and FEM simulations, to allow the investigation and optimization of acoustic properties of exhaust line components, while respecting the limits imposed on both geometrical parameters and flow characteristics by the chemical reactions needed to satisfy NOx and SOx regulations. Some preliminary studies are performed to optimize computational effort of numerical simulations. Moreover, experimental measurements are performed on both a simplified set-up (impedance tube) and a mockup of a marine Genset exhaust line in order to assess the numerical results. The assessed CFD and FEM simulations are used for the combined approach that, firstly, calculates the flow field (velocity and temperature) with a steady-state CFD simulation and, then, imports this field into the acoustic FEM model through mesh mapping to evaluate the transmission loss of the studied geometry in presence of flow. The combined approach is then used on real systems, to assess and model the acoustics properties of both diesel oxidation catalyst and scrubber constructed for a Genset mockup. Their transmission loss reach values up to 60 dB, which allows elimination of the traditional silencer, thus reducing the overall dimensions.

Lo sviluppo di sistemi di abbattimento compatti in grado di ridurre sia NOx che SOx è di forte interesse, per la difficoltà di combinare su una nave sia sistemi di riduzione catalitica selettiva che tecnologie di scrubber. Quindi, la ricerca sviluppata in questa tesi nasce dalla necessità di integrazione del sistema lungo la linea di scarico per risparmiare spazio e dalla necessità di disporre di un modello numerico adeguato per simulare le proprietà acustiche dei sistemi di depurazione dei gas di scarico per la loro ottimizzazione. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare una metodologia numerica efficiente dal punto di vista computazionale che utilizzi una combinazione di simulazioni CFD e FEM, per consentire lo studio e l'ottimizzazione delle proprietà acustiche dei componenti della linea di scarico, rispettando i limiti imposti sia ai parametri geometrici che alle caratteristiche del flusso dalle reazioni chimiche necessarie per soddisfare le normative NOx e SOx. Sono stati eseguiti alcuni studi preliminari per ottimizzare l’onere computazionale delle simulazioni numeriche. Inoltre, sono state eseguite misurazioni sperimentali, sia su un set-up semplificato (tubo di impedenza) sia su un mockup di una linea di scarico di un Genset marino, al fine di valutare i risultati numerici. Le simulazioni CFD e FEM validate sono poi utilizzate per l'approccio combinato che, in primo luogo, calcola il campo di flusso (velocità e temperatura) con una simulazione CFD in regime stazionario e, poi, importa questo campo nel modello acustico FEM tramite il mesh mapping per valutare la trnsmission loss della geometria studiata in presenza di flusso. L'approccio combinato è stato quindi utilizzato per valutare e modellare le proprietà acustiche sia del catalizzatore di ossidazione diesel che dello scrubber costruiti per il Genset. La loro transmission loss raggiunge valori fino a 60 dB, permettendo di eliminare il silenziatore tradizionale, riducendo così l'ingombro della linea di scarico.

A Combined FEM-CFD Methodology to Study and Optimize Acoustic Properties of Marine Exhaust Lines

KYAW OO D'AMORE, GIADA
2022

Abstract

Lo sviluppo di sistemi di abbattimento compatti in grado di ridurre sia NOx che SOx è di forte interesse, per la difficoltà di combinare su una nave sia sistemi di riduzione catalitica selettiva che tecnologie di scrubber. Quindi, la ricerca sviluppata in questa tesi nasce dalla necessità di integrazione del sistema lungo la linea di scarico per risparmiare spazio e dalla necessità di disporre di un modello numerico adeguato per simulare le proprietà acustiche dei sistemi di depurazione dei gas di scarico per la loro ottimizzazione. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare una metodologia numerica efficiente dal punto di vista computazionale che utilizzi una combinazione di simulazioni CFD e FEM, per consentire lo studio e l'ottimizzazione delle proprietà acustiche dei componenti della linea di scarico, rispettando i limiti imposti sia ai parametri geometrici che alle caratteristiche del flusso dalle reazioni chimiche necessarie per soddisfare le normative NOx e SOx. Sono stati eseguiti alcuni studi preliminari per ottimizzare l’onere computazionale delle simulazioni numeriche. Inoltre, sono state eseguite misurazioni sperimentali, sia su un set-up semplificato (tubo di impedenza) sia su un mockup di una linea di scarico di un Genset marino, al fine di valutare i risultati numerici. Le simulazioni CFD e FEM validate sono poi utilizzate per l'approccio combinato che, in primo luogo, calcola il campo di flusso (velocità e temperatura) con una simulazione CFD in regime stazionario e, poi, importa questo campo nel modello acustico FEM tramite il mesh mapping per valutare la trnsmission loss della geometria studiata in presenza di flusso. L'approccio combinato è stato quindi utilizzato per valutare e modellare le proprietà acustiche sia del catalizzatore di ossidazione diesel che dello scrubber costruiti per il Genset. La loro transmission loss raggiunge valori fino a 60 dB, permettendo di eliminare il silenziatore tradizionale, riducendo così l'ingombro della linea di scarico.
BIOT, MARCO
34
2020/2021
Settore ING-IND/02 - Costruzioni e Impianti Navali e Marini
Università degli Studi di Trieste
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